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国内粉末高温合金的生产工艺

2015/09/24 阅读:

随着航空航天技术的飞速发展,对高推比、高功重比先进航空发动机热端部件的性能要求愈加提高,尤其对涡轮盘的强韧性、疲劳性、可靠性及耐久性等力学性能提出了更高要求。但由于涡轮盘材料合金化程度的提高,合金偏析严重,热工艺性能恶化,采用传统的铸锻工艺技术制造的高温合金涡轮盘无法满足高推重比先进发动机的要求;而采用粉末冶金技术制取的粉末高温合金,粉末细小,合金成分均匀,制件性能稳定,热加工变形性能较好,合金化程度提高,特别是合金的屈服强度和抗疲劳性有显著提高。在粉末冶金高温合金领域,只有美国、俄罗斯等少数几个国家掌握了相关的生产技术。目前,我国主要有钢铁研究总院、北京科技大学、北京航材院等几家单位从事粉末高温合金的应用研究。

一、国内粉末高温合金的研究发展

为满足对高性能航空发动机发展需求,国内20世纪70年代末已开始粉末高温合金方面的研究。80年代末,钢铁研究总院初步建成一条粉末高温合金研制生产线。1984年,采用“氩气雾化工艺制粉+包套模锻”的生产工艺成功研制出某发动机涡轮盘,其基本性能接近美国同类产品的标准水平。1994年,引进俄罗斯的等离子旋转电极制粉工艺设备以及粉末处理、大型真空退火炉等设备,并从荷兰引进用于无损探伤的大型超声波水浸探伤仪。目前,我国已形成“等离子旋转电极工艺制粉+热等静压成形+包套模锻+热处理”等完整的粉末盘生产工艺。我国经过几十年的发展研究,已成功建立了粉末高温合金材料体系。第一代高强型粉末高温合金FGH95,相当于美国一代合金Ren‘95,其使用温度为650℃。直接热等静压工艺生产的FGH95粉末涡轮盘及导流盘己完成生产定型。第二代粉末高温合金FGH96属损伤容限型粉末高温合金,相当于美国二代合金Ren‘88DT,该合金使用温度为750℃,具有良好的抗疲劳裂纹扩展性能。FGH96合金全尺寸涡轮盘采用的生产工艺为“热等静压+等温锻+热处理”。此外,在俄罗斯ЭП741HП合金的基础上改进而成的FGH97合金也即将获得应用。当前,第三代“高强度+损伤容限特型”粉末高温合金正在研制中,其使用温度可达800℃以上。

二、粉末高温合金的主要生产工艺等离子旋转电极工艺

目前,各国粉末高温合金制备的常用粉末制备方法有两种,即等离子旋转电极(PREP)制备工艺和氩气雾化(AA)制备工艺,前者主要是俄罗斯主要采用的工艺,后者主要是美国等国所主要采用的工艺。等离子旋转电极工艺(PlasmaRotatingElectrodeProcessing,简称PREP工艺)首先是将制粉的合金制成自耗电极,在高速旋转的状态下,接收离子流,使自耗电极端部熔化;熔融液态金属在离心旋转力的作用下雾化,形成小液滴飞溅,由于表面张力的作用,液滴凝固成球形的粉末颗粒。该工艺制备的粉末氧含量及非金属夹杂含量低,粉末球形度高,粉末粒度可控制在较窄的范围内。该制备工艺关键设备为等离子旋转电极制粉设备。等离子旋转电极工艺制得的粉末粒度分布较窄,成品粉收得率较高;球形度好、表面光滑洁净、氧含量低于0.006%、物理性能良好。氩气雾化工艺氩气雾化工艺(ArgonAtomizing,简称AA工艺)是运用高速运动的氩气流,将熔融金属液切断、分散、裂化为微小液滴。金属液滴沿着雾化氩气的运动方向运动,雾化氩气对金属液滴急剧冷却而产生的热应力作用使液滴粘化,并凝结成微细的粉末颗粒。氩气雾化(AA)工艺采用了细粉制造技术如快速凝固旋转气体雾化和超声气体雾化等许多新技术,细粉收得率显著提高。研究表明,减小夹杂物尺寸主要可改善合金的热工艺性能,降低其对合金疲劳寿命的影响。传统来说俄罗斯多使用等离子旋转电极工艺,而欧美国家多使用氩气雾化工艺。一般来说氩气雾化工艺所制备的高温合金粉末粒度更小,但俄罗斯一直在使用等离子旋转电极工艺,所生产的数万个涡轮盘件产品亦能够满足先进航空发动机的使用需求。

三、粉末高温合金的主要生产设备

1制粉设备根据不同的生产工艺,粉末高温合金制粉设备主要有两类:等离子旋转电极制粉设备和氩气雾化制粉设备。等离子旋转电极制粉设备主体由雾化室、机械传动室和装料室三部分组成。雾化室用以完成高温合金自耗电极的旋转雾化,等离子枪插入雾化室中;机械传动室与雾化室相通,合金棒料在机械传动室旋转并沿轴向移动;自耗电极装入装料室,装料室中的分配机构将自耗电极传送到机械传动室。机械传动室内,机械机构压紧自耗电极,将其旋转并沿轴向逐渐推进雾化室。在密封的雾化室中,高速旋转的自耗电极端部因接收等离子枪产生等离子流而熔化;薄层液态金属在离心力的作用下雾化飞射,在惰性气体的环境下以约104℃/s的速度冷却。液滴凝固成球形粉末,最终将金属粉末收集至密闭容器里。氩气雾化制粉设备主体分为真空室、雾化塔及分离器三部分组成。合金在真空室的坩埚中熔化、精炼和脱气,精炼熔化金属通过一个预热中间包倒入喷气管系统;此处,熔体流被高压氩气流所分散。雾化塔直接位于雾化喷嘴下面,分散的微小金属液滴弥漫在雾化塔中凝固成粉末颗粒。生成的粉末气体混合物通过输送管输送至旋风分离器中,在此处将精细粉末、粗大粉末与雾化气体分离。金属粉末最终收集至位于旋风分离器下面的底箱中。该类设备制造厂家主要有德国ALD真空工业股份公司,其在全世界范围内已有数十台以上的制粉设备投入运行。国内主要有锦州航星真空设备有限公司,其主要是与国内科研院所合作进行设计、制造,公司本身无自己的雾化技术。

2粉末处理设备合金粉在整个生产过程始终在惰性气体保护下,会有惰性气体在粉末表面残留。同时,存在的陶瓷粉等夹杂,以及粉间、包套内的空气均会对涡轮盘的组织性能产生严重不良影响。因此,需对制得的粉末进行筛分、去夹杂、脱气及粉末表面等质量处理。粉末处理设备主要包括筛分设备、去除夹杂设备、分级合批设备和粉末改性处理设备。

3包套封焊设备高温合金粉末经过合批及处理后需要装入包套,进行封焊。封焊质量是保证粉末成型的关键因素之一。如果封焊质量不达标,包套内部和外界有气流沟通,不仅会造成整个包套内的高温合金粉末报废,同时由于包套内渗进的高压气体,在热等静压泄压时可能会造成包套的爆炸,造成事故。包套封焊设备主要包括粉末输送、高温除气、填充、振实及电子束封焊系统,整个工艺全部在真空状态下进行。该类设备为非标设备,国内目前的数台设备全部为乌克兰巴顿研究所的产品或与其进行技术合作制造的非标设备。

四、结语

1)我国实现了第二代损伤容限型粉末高温合金的成熟应用。2)等离子旋转电极制粉设备制备的粉末氧含量及非金属夹杂含量低,粉末球形度高。3)氩气雾化制粉工艺向超纯净细粉方向发展。制粉采用新技术,细粉收得率提高。

作者:孙黎 邵长星 曾莹雪 单位:中国航空规划建设发展有限公司

国内粉末高温合金的生产工艺

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